Motori e cicli termodinamici 1.

n - Fisica Generale Avanzata

Motori e cicli termodinamici

1.  Motore a scoppio 2.  Motore diesel

3.  Frigoriferi

4.  Centrali elettriche

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Trasformazioni

Trasformazioni reversibili (quasi- statiche):

Ciascun passo della trasformazione è eseguito in modo tale che il sistema sia in equilibrio: la legge di stato vale in ciascuno degli stati intermedi e si può ripercorrere lo stesso

percorso in senso inverso attraverso gli stessi stati intermedi.

Trasformazioni irreversibili:

Nel corso della trasformazione il sistema non è in condizioni di equilibrio e quindi non è possibile ripercorrere lo stesso percorso in senso inverso.

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Motore a scoppio

La miscela aria- benzina viene introdotta nel cilindro attraverso la valvola di

aspirazione.

Il pistone si muove verso l’alto

comprimendo la miscela mentre le valvole sono chiuse.

Una scintilla prodotta dalla candela incendia la miscela : questa, bruciando, genera gas e aumenta di volume spingendo il pistone verso il basso.

Il pistone si

muove verso l’alto ed espelle i gas combusti

attraverso la valvola di scarico.

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Ciclo termodinamico

OA AB BC/CD DA/AO

OA: Aspirazione a pressione costante

W_OA=P_A(V_A-V_O)

AB: Compressione adiabatica (perchè rapida)

W_AB=nc_V(T_A-T_B) Q_AB=0

BC: Accensione miscela e combustione

W_BC=0 Q_BC= nc_V(T_C-T_B)

CD: Espansione adiabatica (perchè rapida)

W_CD=nc_V(T_C-T_D) Q_CD=0

DA: Decompressione (apertura valvola)

W_DA=0 Q_DA= nc_V(T_A-T_D)

AO: Scarico

W_AO=P_A(V_O-V_A)

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Rendimento

! = 1+ Q

Q

= 1+ nc

( T

" T

)

nc

( T

" T

) ^{= 1"}

T

" T

T

" T

T_DV_D^{! "1}= TCV_C^{! "1} T_AV_D^{! "1}= TBV_C^{! "1}

T_D! TA

( )^{VD" !1= T}( ^{C! TB})^{VC" !1}

! = 1" 1 r

η massimo per gas a molecola semplice (γ=2/f+1, con f=gradi di libertà)

Il rapporto di compressione è limitato dall’autocombustione della miscela benzina-aria:

r_max ~ 10 -> η_max ~ 0.4 (TEORICO)

In realtà: η_max ~ 0.2 a causa degli attriti e di una non completa divisione delle fasi

T_D ! TA

T_C! T_B = V_C V_D

"

#$ %

&

'

( !1

= 1

r^{( !1} con r =V_D

V_C = rapporto di compressione T_DV_D^{! "1}= TCV_C^{! "1}

T_AV_A^{! "1}= TBV_B^{! "1} V_A = VD

V_B = VC

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Motore Diesel

(4 tempi ad autocombustione)

OA AB BC/CD DA/AO

OA: Aspirazione a pressione costante

W_OA=P_A(V_A-V_O)

AB: Compressione adiabatica (perchè rapida)

W_AB=nc_V(T_A-T_B) Q_AB=0

BC: Autocombustione graduale della miscela

W_BC=P_B(V_C-V_B) Q_BC= nc_P(T_C-T_B)

CD: Espansione adiabatica (perchè rapida)

W_CD=nc_V(T_C-T_D) Q_CD=0

DA: Decompressione (apertura valvola)

W_DA=0 Q_DA= nc_V(T_A-T_D)

AO: Scarico

iniezione del

combu- stibile non

viene aspirato combu- stibile, solo aria

non c’è la

candela

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Rendimento

! = 1+ Q

Q

= 1+ nc

( T

" T

)

nc

( T

" T

) ^{= 1"}

1

r

" 1 r

# ¹

r

" 1 r

$

% & '

( ) con r

= V

V

e r

= V

V

Il rendimento è maggiore del motore a scoppio in quanto i rapporti di compressione sono molto più alti: r_max ~ 60÷80 con rendimenti reali del 30%.

Vantaggi del motore Diesel:

-  la miscela aria - carburante è migliore perchè si forma all'interno della camera di combustione e non nel collettore di aspirazione (Nei motori a benzina la combustione è poco redditizia ai bassi regimi, perché l'aria aspirata non si distribuisce nel modo migliore all'interno della camera, come avviene ai regimi più elevati)

-  minore inquinamento (dovuto ad una migliore combustione).

Svantaggi del motore diesel:

-  limitazione nel numero di giri (ad alto numero di giri la miscela non è uniforme)

Problema:

uniformità nell’iniezione Soluzione:

creazione di turbolenza (motori AUDI)

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Effetto di Joule-Thomson

Un frigorifero sfrutta il principio fisico denominato “effetto di Joule-Thomson”.

L’effetto può essere misurato con l’apparato seguente:

W = lavoro sul gas = - Δ U (processo adiabatico) = -(Δ k + Δ u_pot) = Δ(PV) = Δ(P₂V₂ )- Δ(P₁V₁ ) mantenendo costante il prodotto PV:

Δ(P2V₂ )= Δ(P₁V₁ ) -> Δ U = Δ k + Δ upot = 0

se P1>P2, le distanze molecolari sono più grandi nel contenitore 2 -> Δ upot > 0 -> Δ k <0 e la temperatura diminuisce.

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Frigoriferi

Se la trasformazione coinvolge un passaggio di fase, da liquido a vapore, ed è rapida (attraverso l’apertura veloce di una valvola), l’effetto di Joule-Thomson è analogo all’acquisto di calore

latente di vaporizzazione a spese dell’energia cinetica dei costituenti (cioè della loro temperatura).

A: Fluido liquido a temperatura T₂=20°C

AB: Espansione di Joule-Thomson

BC: Isoterma a T=T₁ fluido a contatto con il

corpo da raffreddare

CD: Compressione adiabatica

DA: Isobara e poi isoterma a T=T₂, fluido a

contatto con il radiatore esterno

I gas usati (Freon - CF₃Br o simili) passano

facilmente dalla fase di vapore alla fase liquida attorno ai 0°C e non sono corrosivi.

efficienza frigorifera = Q

W = 1

!

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Centrale elettrica

ε _totale ^{~ 37%}